暖溫帶銳齒櫟林土壤呼吸時(shí)空變異及其調(diào)控機(jī)理.pdf

1、土壤呼吸是大氣CO2來(lái)源之一，在決定生態(tài)系統(tǒng)作為大氣碳源匯方面起著重要作用。理解土壤呼吸調(diào)控機(jī)理對(duì)于我們更好的描述全球碳收支具有重要意義。但是，不同年齡段、不同森林類(lèi)型間，土壤呼吸變異規(guī)律及其調(diào)控機(jī)理都存在不同程度的差異。本研究位于伏牛山地區(qū)寶天曼自然保護(hù)區(qū)，通過(guò)對(duì)該區(qū)主要森林類(lèi)型之一銳齒櫟林土壤呼吸的研究，旨在為計(jì)算該區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)碳收支提供理論基礎(chǔ)。
　　1）研究了暖溫帶銳齒櫟林長(zhǎng)期演替序列（40年生幼齡林（YO）、48年生中

2、齡林（IO）、80年生成熟林（MO）、143年生過(guò)熟林（OGO））土壤呼吸（RS）時(shí)空變異性。四種林分土壤呼吸的時(shí)間變異很大程度上依賴(lài)于土壤5cm溫度（T5），T5揭示了土壤呼吸時(shí)間變異的73.8～82.5％。土壤含水量（SWC）僅與IO林土壤呼吸在時(shí)間上有弱相關(guān)，與其它林分土壤呼吸均無(wú)相關(guān)關(guān)系。四種林分土壤呼吸標(biāo)準(zhǔn)差（SD）呈明顯的季節(jié)動(dòng)態(tài)，與T5季節(jié)動(dòng)態(tài)相一致，而土壤呼吸變異系數(shù)（CV）則無(wú)顯著季節(jié)動(dòng)態(tài)。土壤水分含量的空間變異系數(shù)與

3、YO林和OGO林土壤呼吸空間變異系數(shù)呈顯著線性相關(guān)關(guān)系。OGO林土壤呼吸變異性顯著高于其它林分，因而，在95%置信區(qū)間內(nèi)獲得的土壤呼吸值控制在實(shí)際值的±20%誤差范圍內(nèi)，OGO林需要取樣點(diǎn)數(shù)高于其它林分。表層（0-10cm）土壤有機(jī)碳（SOC），尤其是土壤輕組有機(jī)碳（LFOC）能很好的解釋土壤累積呼吸量不同林齡間差異。土壤0-5cm總孔隙度（TP）與不同林齡間土壤累積呼吸量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，這種負(fù)相關(guān)關(guān)系可能來(lái)自于土壤毛管孔隙對(duì)土壤呼吸

4、的限制或制約。隨著森林演替，土壤活性碳儲(chǔ)量及土壤物理性狀等隨之變化，繼而影響了土壤表面碳通量，使土壤表面CO2通量隨林齡增加而增加。森林演替后期，土壤呼吸空間變異性明顯增加。
　　2）通過(guò)壕溝斷根法結(jié)合根分解實(shí)驗(yàn)，區(qū)分估計(jì)了暖溫帶銳齒櫟林長(zhǎng)期演替序列（YO、IO、MO、OGO）生長(zhǎng)季土壤自養(yǎng)（RR）和異養(yǎng)呼吸（RH）。并對(duì)其季節(jié)動(dòng)態(tài)和時(shí)空變異調(diào)控因素進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，盡管根系呼吸與異養(yǎng)呼吸一樣，在時(shí)間變異上可以很好的由土壤5c

5、m溫度通過(guò)指數(shù)模型解釋?zhuān)牵琘O和IO林根呼吸的峰值發(fā)生在9月份，較土壤溫度的峰值滯后約30天。而且，與MO和OGO林不同，YO和IO林根系呼吸占總呼吸的比例在9月份出現(xiàn)了第二個(gè)峰值。2009年生長(zhǎng)季（106-287天）累積自養(yǎng)和異養(yǎng)呼吸通量不同林齡間表現(xiàn)出顯著差異。YO、IO、MO及OGO林生長(zhǎng)季土壤異養(yǎng)呼吸累積值分別為431.72、452.02、484.62和678.93 g C m-2，而其根呼吸累積值分別為191.94、206

6、.51、321.13和153.03 g C m-2。根系呼吸占土壤總呼吸的比例（RC）由YO林的30.78%增加到MO林的39.85%，然后降低到OGO林的18.39%。不同林齡間土壤0-10cm有機(jī)碳儲(chǔ)量，尤其是活性有機(jī)碳儲(chǔ)量（LFOC）與生長(zhǎng)季累積土壤異養(yǎng)呼吸間呈顯著相關(guān)。但是，細(xì)根生物量與根系呼吸間相關(guān)性不顯著。異養(yǎng)呼吸的表面溫度敏感性（Q10）顯著高于根系呼吸，兩者分別為3.93和2.78。隨林齡增加土壤毛管孔隙度顯著降低，一定

7、程度上解釋了土壤呼吸不同林分間差異。該區(qū)銳齒櫟長(zhǎng)期演替序列土壤呼吸隨林齡的增加而增加，主要由該區(qū)森林土壤異養(yǎng)呼吸較高貢獻(xiàn)率所致。不同演替階段，森林根系呼吸表現(xiàn)出不同的季節(jié)格局。本研究強(qiáng)調(diào)了土壤呼吸組分分離在評(píng)價(jià)林齡對(duì)土壤呼吸影響時(shí)的重要性。
　　3）通過(guò)在兩種林分分別建立40×60m固定樣地，按10m網(wǎng)格劃分后在網(wǎng)格交點(diǎn)測(cè)定土壤呼吸、土壤理化性狀、根生物量及林分結(jié)構(gòu)特征等，研究比較了暖溫帶地區(qū)相鄰銳齒櫟天然次生林（OF）與華山松人

8、工林（PP）土壤呼吸時(shí)空變異性及其調(diào)控因素。測(cè)定從2008年10月至2009年10月。研究表明，整個(gè)生長(zhǎng)季過(guò)程中，兩種林分土壤呼吸空間格局均較為穩(wěn)定。與銳齒櫟次生林相比，華山松人工林土壤呼吸空間變異較小。各測(cè)定點(diǎn)土壤呼吸與5cm土壤溫度均呈顯著指數(shù)相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，土壤呼吸與土壤水分含量（SWC）在空間上呈負(fù)相關(guān)，但是，水分飽和對(duì)氣體擴(kuò)散的限制作用并不是土壤水分含量較高區(qū)域呼吸量較低的主要原因。與土壤水分含量相比，土壤孔隙充水率（WFPS

9、）能更好的解釋土壤呼吸空間變異性。以土壤呼吸測(cè)量點(diǎn)為中心，半徑4-5m范圍內(nèi)的胸高斷面積和（BA）、最大胸徑（max DBH）、平均胸徑（mean DBH）等林分結(jié)構(gòu)參數(shù)能很好的解釋銳齒櫟次生林土壤呼吸的空間變異性，而在華山松人工林中則未發(fā)現(xiàn)相似結(jié)果。多元逐步回歸模型表明，土壤輕組有機(jī)碳（LFOC）含量、土壤持水力（WHC）共同解釋了華山松人工林土壤呼吸空間變異的49.6%；而土壤持水力（WHC）、4米半徑內(nèi)最大胸徑（max DBH4）

10、、及土壤總孔隙（TP）共同解釋了銳齒櫟次生林土壤呼吸空間變異的64.2%。這表明生物與非生物因子在控制次生林與人工林土壤呼吸空間變異時(shí)的差異性。土壤呼吸溫度敏感性（Q10）與土壤碳庫(kù)活度（LLFOC）、細(xì)根生物量（FR）在空間上呈正相關(guān)關(guān)系，而與土壤水分含量則呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。森林覆蓋變化造成土壤水分含量的顯著降低可能是華山松人工林土壤呼吸溫度敏感性顯著增加的原因。本文研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)了次生林與人工林土壤碳通量空間變異及其調(diào)控因子的差異性，對(duì)于

11、精確估計(jì)區(qū)域碳收支具有重要意義。
　　4）關(guān)于氣候變暖對(duì)中國(guó)暖溫帶森林土壤碳氮循環(huán)潛在影響的研究尚未見(jiàn)報(bào)道，本研究將高海拔地區(qū)（1400m）銳齒櫟林直徑30cm、高40cm的原狀土柱移至低海拔地區(qū)（620m），將低海拔地區(qū)栓皮櫟林原狀土柱移至高海拔地區(qū)，通過(guò)土壤互置實(shí)驗(yàn)?zāi)M氣候變暖或變冷對(duì)土壤碳氮?jiǎng)討B(tài)的影響。研究表明，低海拔樣地土壤平均溫度比高海拔樣地約高3℃，而土壤水分含量約低6%。對(duì)控制（in situ）及移位處理（trans

12、fer）土柱土壤氮周轉(zhuǎn)和土壤呼吸均進(jìn)行了為期一年的觀測(cè)。移位土壤凈氮礦化率及凈氮硝化化率比原位培養(yǎng)的分別高約254%和67%，移位土壤呼吸速率比原位培養(yǎng)的高約52%。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，相對(duì)于較為穩(wěn)定的增溫效果（3℃），土壤呼吸量對(duì)移位處理的響應(yīng)程度則呈現(xiàn)明顯的季節(jié)動(dòng)態(tài)，在夏季時(shí)達(dá)到最大。土壤從高海拔到低海拔移位一年后，土壤微生物生物量碳顯著降低，可溶性有機(jī)碳顯著增加，土壤異養(yǎng)呼吸溫度敏感性顯著增加，而土壤異養(yǎng)基礎(chǔ)呼吸明顯降低。相反，土壤